【Futuretrek - 星际穿越】黑洞内外（视频笔记）

1.什么是黑洞 2.黑洞的构造 3.我们是如何发现黑洞的 4.黑洞的性质

在我们的日常生活当中我们最熟悉的有一个生物或者说神兽叫做貔貅，它的最大的特点就是只进不出，黑洞就在某种程度上特别像貔貅，它周围的所有东西只进不出，不仅仅我们日常生活当中的东西，而且包括我们所看到的光黑洞都能够吸进，所以我们看到的时候就是一个黑色球体，我们称之为黑洞。

黑洞的结构非常简单，可以说是宇宙中最为简单的一种天体，它只包括两个部分：一个是中心的奇点，另一部分是划分黑洞与周围空间的一个界面，叫做视界（Event Horizon）。在视界面内，所有的信号包括光，任何的物体都不能逃脱，但在视界面之外是可以逃脱的。在中心的所谓的奇点的东西，在之前，人们认为是一个质量无穷大密度无穷大体积无限小的一个物体，但现在随着理论的不断发展，人们认为也有可能是一些所谓的泡沫状的叫作引力泡沫之类的东西，这种东西以后有可能可以给我们提供时空穿梭的虫洞，它是虫洞的种子。如果以后技术发展到一定程度，就可以把虫洞放大，我们可以利用这些进行时空穿梭。

黑洞的发现体现了人们对于引力的一个认识过程，从三百多年前牛顿（Isaac Newton）发现引力开始。在这之后，人类慢慢认识到如果要逃离地球，必须要有一定的速度，速度越大逃脱的距离越远，当物体的速度达到所谓的逃逸速度，就可以彻底逃离整个地球，以至于摆脱太阳系的影响。（旅行者一号两年前摆脱了太阳系的影响，进入了星系空间）我们要逃离地球的速度大约是11.2km/s。在十八世纪末期，拉普拉斯（Laplace）提出了形成暗星的条件,他猜想这颗星在宇宙中肯定是存在的，并将其命名为暗星（Dark Stars）。如果把地球压缩到其逃逸速度达到光速，其半径只有0.9厘米。

到二十世纪初，爱因斯坦（Albert Einstein）的相对论彻底颠覆了人们对于引力的认识，他所认为的引力并不是质量本身产生的，而是由于质量对于空间的弯曲造成的。

在1915年爱因斯坦提出了广义相对论（General Relativity）之后，1916年，德国的物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）得到了爱因斯坦场方程的精确解，但这个解仅仅针对于某种特殊情况，也就是只考虑黑洞的质量，不考虑其他的性质，比如其角动量（angular momentum）或电荷，如果考虑黑洞的其他特征，场方程就特别难以求解。（1914年史瓦西参军，在战争间歇期完成了两篇关于相对论和一篇量子力学的论文，其中这两篇相对论的论文就是以后很有名的关于史瓦西量度的文章，1915年在战场上得了严重的皮肤病，1916年去世）。

1963年新西兰天体物理学家罗伊•克尔（Roy Kerr）求解出除黑洞质量外，还考虑到黑洞角动量转动时的精确度规，克尔度规是针对于转动黑洞所得到的一种方程解。 1965年，美国物理学家纽曼在此基础上考虑到转动和电荷，又得到了新的带有电荷的黑洞的场方程解。

1939年左右，美国“原子弹之父”奥本海默（J.Robert Oppenheimer）和他的学生从理论的角度已经证明如果一个大质量恒星坍缩，可以形成黑洞，但当时因为理论的限制，不能做特别复杂的计算，所以他当时只考虑一个大质量恒星球形坍缩时，可以产生黑洞。随着计算机性能的发展，我们已经知道即使一个大质量恒星非球对称爆发时也能产生一个黑洞。

在得到不同情形之下的场方程解之后，斯蒂芬•霍金（Stephen William Hawking）又对黑洞理论做了进一步推进，之前的所有人仅仅考虑了传统意义上的黑洞，是一个宏观目的，没有任何量子效应，斯蒂芬•霍金的最大贡献在于他考虑了量子效应，发现其实黑洞不完全是一个所谓的绝对零度的黑体，它其实还是有一定的辐射，虽然特别弱，但还是有的，对于一般的黑洞来说，它的温度很低，比我们现在所知道的宇宙背景辐射的3K温度还要低上百万个量级。 黑洞的结构很简单所以它的性质也相对简单，只需要三个量就可以完整地去描述一个黑洞：质量、角动量（描述黑洞转动的快慢）、电荷。但在宇宙中，前两者就可以完整地描述一个黑洞，因为宇宙中的黑洞不是单独存在的，周围还伴随着很多气体或者其他恒星，或有很多自由电荷存在，很容易让黑洞本身的电荷相平衡，因此只剩下质量和角动量。